Les équipes de BASE-STEP vont tenter de déplacer de l’antimatière sur plusieurs kilomètres pour la première fois
Selon les connaissances actuelles, l’antimatière est presque identique à la matière ordinaire, hormis le fait que les charges et les propriétés magnétiques sont inversées. Lorsque la matière et l’antimatière entrent en contact, elles s’annihilent, disparaissant dans un éclair de particules énergétiques. Les scientifiques s’interrogent encore aujourd’hui sur la raison pour laquelle l’Univers contient bien plus de matière que d’antimatière, alors que le Big Bang aurait dû en créer en quantités égales.
Le CERN est le seul endroit au monde où sont produits des antiprotons de basse énergie, dans diverses expériences. L’expérience BASE est l’une des six collaborations travaillant sur l’étude de l’antimatière au CERN ; son but est de mesurer avec précision les propriétés des antiprotons. Toutefois, l’emplacement même de l’expérience limite la précision de cette dernière ; l’accélérateur et le décélérateur de particules dans l’usine d’antimatière génèrent des fluctuations qui ont un impact sur les mesures.
Le dispositif BASE-STEP vise à capturer des antiprotons dans un piège à ions transportable et à les charger sur un camion afin de les transférer vers une installation où ils pourront être étudiés de manière plus précise. À plus long terme, le transport d’antiprotons à l’extérieur du CERN permettrait à de nombreux laboratoires européens de mener de nouvelles recherches indépendantes sur les antiprotons.
La première étape du projet consiste à acheminer de l’antimatière jusqu’à nos laboratoires spécialisés situés à l’Université Heinrich-Heine de Düsseldorf. Cette opération nous permettra d’étudier l’antimatière avec une précision au moins 100 fois supérieure. À plus long terme, nous voudrions avoir la capacité d’acheminer de l’antimatière dans n’importe quel laboratoire en Europe.
Stefan Ulmer, porte-parole de l’expérience BASE.
Cette toute nouvelle technologie est très prometteuse car elle ouvrira la voie à de nouvelles possibilités d’étude, non seulement pour les antiprotons, mais aussi pour d’autres particules exotiques telles que les ions ultra-chargés.
Christian Smorra, porte-parole adjoint de l’expérience BASE.
Faits et chiffres
LE DISPOSITIF BASE-STEP
Quels sont les éléments utilisés pour transporter de l’antimatière
Un équipement pesant près d’une tonne (déplacé à l’aide d’une grue ou d’un chariot élévateur). Malgré ce poids impressionnant, le dispositif BASE-STEP est plus léger que d’autres expériences comportant un piège de Penning. Il est conçu pour être installé sur un camion, avec un châssis suffisamment étroit pour pouvoir passer par des portes de laboratoire ordinaires. Son poids est dû en grande partie à des aimants supraconducteurs pesant plus de 600 kilogrammes.
Une enceinte à vide constituant un piège de Penning, qui servira à retenir les particules à l’aide de champs magnétiques et électriques.
Un aimant supraconducteur persistant pour maintenir le champ magnétique. Les aimants supraconducteurs persistants n’ont pas besoin d’une alimentation permanente.
Un système de refroidissement cryogénique à l’hélium liquide pour maintenir la supraconductivité des aimants et les conditions de vide.
Des réserves en énergie pour l’alimentation des électrodes.
LES DÉFIS
Comment piéger des antiparticules qui s’annihilent au contact de la matière ordinaire ?
Sachant que l’antiparticule peut disparaître au simple contact de l’air, il faut un vide très poussé. BASE-STEP est un piège de Penning compact et transportable qui maintient les antiparticules dans un vide quasi-parfait grâce aux champs électriques et magnétiques.
Les chocs doivent être amortis : le dispositif est conçu pour pouvoir supporter des accélérations correspondant à 1 g (environ 9,8 m/s²), quelle que soit la direction. Cette capacité d’amortissement est plus que suffisante pour amortir les vibrations causées par des reliefs sur la chaussée.
Les antiprotons doivent être surveillés en temps réel : on recourt à une technique standard non destructive de détection de courant image (généralement utilisée dans les expériences à haute précision comportant un piège de Penning). Elle permet d’avoir un signal continu indiquant le nombre de particules contenues dans le piège.
CHRONOLOGIE
Comment arriver à un tel exploit ?
2020 : début de la construction du dispositif BASE-STEP
Octobre 2024 : test de transport avec des protons concluant
Jusqu’à fin juillet 2025 : mise à niveau de l’instrumentation à l’Université Heinrich-Heine de Düsseldorf
Août 2025 : transport des systèmes mis à niveau de Düsseldorf au CERN.
Septembre 2025 : production de faisceaux d’antiprotons pour remplir le piège
FOIRE AUX QUESTIONS
Le dispositif BASE-STEP est-elle la seule à pouvoir transporter de l’antimatière ?
Non, une autre expérience, appelée PUMA, travaille également à un piège transportable. Dans le cadre de cette expérience compacte, il est prévu de transporter des antiprotons sur 600 mètres, du hall du Décélérateur d’antiprotons jusqu’à l’installation ISOLDE, où seront étudiées les propriétés et la structure de noyaux atomiques exotiques.
L’équipe BASE-STEP travaille-t-elle sur d’autres projets ?
BASE-STEP travaille également sur la multiplication et la miniaturisation de dispositifs de transport. La prochaine étape sera de construire une machine présentant un meilleur rapport efficacité-coût.
Cette opération de transport est-elle dangereuse ? Que se passera-t-il si les antiparticules sont annihilées ?
Le dispositif BASE-STEP piège entre 100 et 1000 antiparticules. Si la tentative de transport échoue et que les antiparticules sont annihilées, l’énergie qui sera libérée sera l’équivalent de la masse de mille électrons seulement. À titre de comparaison, l’énergie du rayonnement solaire que notre peau reçoit chaque seconde est un milliard de fois supérieure à la quantité d’énergie libérée par l’annihilation de tous les antiprotons dans le piège BASE-STEP. Le déplacement des antiparticules ne serait pas plus dangereux que tout autre transport routier sur la voie publique.
Peut-on utiliser l’antimatière comme source d’énergie ?
Non, car l’efficience de la production d’antimatière est très faible. La création et le stockage d’antimatière nécessite beaucoup d’énergie ; on récupère seulement un dixième de milliard (10-10) de l’énergie dépensée. Si l’on réunissait toute l’antimatière créée au fil des années au CERN pour l’amener à s’annihiler au contact de la matière, on obtiendrait seulement assez d’énergie pour faire briller une ampoule électrique pendant quelques minutes.
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